PERENCANAAN KINCIR ANGIN SAVONIUS TIPE L EMPAT SUDU SEBAGAI SUMBER ENERGI TERBARUKAN
Renal Marsa, Suryadimal, Iqbal
Program Studi Teknik Mesin-Fakultas Teknologi Industri-Universitas Bung Hatta Jl. Gajah Mada No.19 Olo Nanggalo Padang 25143
Telp. 0751-7054257 Fax. 0751-7051341 Email : renalmarsa1993@gmail.com
ABSTRACT
Angin adalah salah satu sumber energi terbarukan yang dikembangkan saat ini.
Energi angin termasuk energi terbarukan yang didefinisikan sebagai energi yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Beberapa kelebihan dari energi terbarukan seperti angin adalah: sumbernya relatif mudah didapat,dapat diperoleh dengan gratis, minim limbah, tidak mempengaruhi suhu bumi secara global, dan tidak terpengaruh oleh kenaikkan harga bahan bakar. Perencanaan ini membahas tentang pemanfaatan energi angin sebagai penghasil listrik dengan menggunakan turbin angin savonius. Untuk mendapatkan energi listrik maka digunakan alternator sebagai penghasil listrik dan energi listrik yang dihasilkan disimpan menggunakan baterai. Oleh sebab itu suatu pembangkit listrik tenaga angin (PLTAn) berskala kecil dengan konstruksi sederhana dan mudah pemeliharaannya merupakan solusi yang bisa dioperasikan sendiri oleh masyarakat. Data-data awal perancangan didapatkan kecepatan angin dengan kecepatan 4,39 m/s dan daya rencana 78 watt. Dari hasil rancangan didapatkan dimensi sudu turbin savonius tipe L dengan tinggi 0,6 m dan lebar 0,4 m. Panjang poros 2300 mm, diameter poros 20 mm, diameter bantalan 20 mm, pully penggerak berdiameter 300 mm, pully digerakkan 70 mm dan keliling sabuk v 1016 mm.
Kata Kunci: Energi Terbarukan, Turbin Angin Savonius, Daya.
ABSTRACT
Wind is one of the renewable energy sources being developed at this time.
Wind energy including renewable energy is defined as energy that can be produced quickly back through natural processes. Some of the advantages of renewable energy such as wind are: the source is relatively easy to obtain, may be obtained free of charge, minimal waste, does not affect the temperature of the Earth globally, and not affected by the increase in fuel prices. This plan discusses the use of wind energy as a producer of electricity using wind turbines Savonius. To obtain the electric energy is used as electricity-generating alternator and electrical energy generated is stored using battery.
Therefore a wind power plant (PLTAn) small scale with simple construction and easy maintenance is a solution that can be operated by the communities themselves. Initial data obtained design wind speed with a speed of 4.39 m / s and 78 watts of power plan. From the results obtained dimensional design turbine blade Savonius type L with a height of 0.6 m and a width of 0.4 m. Shaft length 2300 mm, 20 mm shaft diameter, bearing diameter 20 mm, 300 mm diameter drive pulley, driven pully 70 mm and 1016 mm v belt circumference.
Keywords: Renewable Energy, Wind Turbine Savonius, Power.
1. PENDAHULUAN
Isu tentang energi merupakan salah satu tantangan terbesar yang dihadapi masyarakat saat ini di dunia. Lebih dari 86% dari energi dunia saat ini berasal dari bahan bakar fosil, Ketahanan energi dunia sekarang menunjukkan penurunan khususnya energi fosil. Di masa depan kebutuhan energi semakin besar disebabkan laju pertumbuhan jumlah penduduk. Jika tidak ditemukan alternatif energi baru, maka akan terjadi krisis energi.
Salah satu sumber energi terbarukan adalah energi angin. Energi angin merupakan salah satu sumber daya yang berlimpah, ramah lingkungan dan bersifat renewable, untuk itu sangat berpotensi untuk dikembangkan.
Kondisi data kecepatan angin Indonesia khususnya kota Padang mempunyai kecepatan angin rendah berkisar antara 3m/s - 7m/s jadi jenis turbin angin vertikal axis savonius dirasa sangat cocok untuk diterapkan karena lebih mudah berputar pada kondisi kecepatan angin rendah. Turbin angin savonius memiliki self starting yang baik sehingga mampu memutar rotor walaupun kecepatan angin rendah, selain itu torsi yang dihasilkan relative tinggi (Salgorzey, 2007).
Menurut Daryanto (2007) dilihat dari potensi terjadi angin Indonesia yang memiliki sekitar 17.500 pulau dengan garis pantai sepanjang 80.791,42 km merupakan wilayah berpotensi tinggi untuk
pengembangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTA). Indonesia memiliki potensi energi angin yang sangat besar yaitu 9,3 GW dan total yang baru terpasang sekarang ini sekitar 0,5 MW.
Rusnoto dan Laudi Sofani (2010) dalam penelitianya tentang Pengaruh Susunan Sudut Turbin Angin Savonius terhadap Karakteristik Daya Turbin, konsep turbin angin savonius ini sangat praktis dan sederhana,tidak terpengaruh oleh arah angin dan dapat dioperasikan di daerah pantai.
2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1
Defenisi Angin
Angin adalah udara yang bergerak akibat adanya perbedaan tekanan udara antara tempat yang bertekanan tinggi ke tempat yang bertekanan rendah atau dari daerah dengan suhu rendah ke wilayah bersuhu yang lebih tinggi. (petra
2009)2.2 Turbin Angin
Turbin angin adalah sebuah sistem yang berfungsi untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik pada poros turbin tersebut.
Energi angin dikonversi sebagian menjadi energi putar oleh rotor. Dengan atau tanpa roda gigi, putaran rotor tersebut biasanya digunakan untuk memutar generator yang akan
menghasilkan energi listrik.(Kadir A,1985)
2.2.1 Jenis-jenis Turbin Angin
Dari jenis turbin angin tersebut yang banyak diterapkan menghasilkan daya yang besar adalah jenis turbin angin dengan sumbu horizontal (Vadot Neyrpic, 1MW, Perancis).Sementara dari jenis sumbu vertical (dengan rotor Darius) hanya mencapai daya 200 Kw (Ties de la madelaine, Canada).
Secara garis besar kontruksi kincir angin terbagi menjadi 2, yaitu turbin angin poros vertical dan turbin angin poros horizontal. Masing-masing jenis turbin tersebut memilki kelebihan dan kekurangan tersendiri.
2.2.2 Turbin Angin Poros vertikal Turbin angin sumbu vertikal/tegak (atau TASV) memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus.
Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. VAWT mampu mendaya gunakan angin dari berbagai arah. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang
berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair
atau gas) bisa saja tercipta saat kincir berputar.
Gambar 2.1 Jenis-jenis turbin angin poros vertikal.
2.2.3 Turbin Angin poros Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara.
Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin (baling- baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar. Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah- bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi. Sebagai tambahan, bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit dimiringkan.
Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan
realibilitas begitu penting, sebagian besar TASH merupakan mesin upwind (melawan arah angin). Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind (menurut jurusan angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme tambahan agar tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat angin berhembus sangat kencang, bilah- bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah tiupan mereka dan dengan demikian juga mengurangi resintensi angin dari bilah-bilah itu.
2.2.4 Prinsip Kerja Turbin Angin Savonius
Turbin angin memiliki prinsip kerja sama seperti turbin pada umumnya. Dimulai dari pemanfaatan energi kinetik yang dimiliki oleh angin, yang kemudian dikonversikan oleh sudu menjadi energi mekanik poros atau rotor. Hal tersebut seperti pada gambar berikut:
.
Gambar 2.2 Prinsip kerja turbin anginsavonius type U dan type L Pada rancangan rotor Savonius L ini, angin yang menumbuk salah satu bilah rotor sehingga rotor berputar, titik pusat gaya dorong angin pada rotor akan bergeser menjauhi poros rotor. Hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan torsi
yang lebih besar. Rancangan rotor Savonius L diinspirasi oleh paten pengembangan rotor Savonius oleh Sadaaki dengan nomor paten JP2003293928 seperti ditunjukkan pada Gambar. Dari gambar paten ini jelas terlihat bahwa pada bentuk rotor Savonius setengah lingkaran (Savonius U), aliran udara di kedua sisi bilah sama besar, sementara pada rancangan kedua (Savonius L) aliran udara pada sisi bilah yang lurus lebih besar dibandingkan pada sisi bilah lengkung seperempat lingkaran (Sumber, Soelaiman 2006).
3. Metodologi Perancangan
3.1
Parameter yang digunakan dalam perancanganUntuk menentukan luasan sudu maka da
p
at ditentukan dengan daya yang ingin dikeluarkan :…………..3.1 Dimana:
P : daya mekanik (W) v : kecepatan angin (m/s) ρ : densitas udara.
1. Menentukan
Rotor Power Coeficient (Cpr)Rotor Power Coeficient, koefisien daya akan dihitung dengan menggunakan teori strip untuk rasio kecepatan rotor tertentu. Ini memberikan koefisien daya rotor untuk kecepatan angin yang berbeda pada kecepatan
. . . . 5 ,
0 AV3 P
rotor tetap atau untuk kecepatan rotor yang berbeda pada satu kecepatan angin.
Cpr = λ Cq...3.2
2. Menentukan tip speed ratio
=
...3.3 Dimana:
λ = tipe speed ratio D = diameter rotor (m) n = putaran rotor (rpm) v = kecepatan angin (m/s)
Gambar 3.1 Skema turbin yang dirancang
4. Perhitungan perancangan.
4.1 Perhitungan Luas Sudu.
1. Diketahui :
Daya rencana ( P ) = 78 Watt
Kecepatan Angin V=4,39 m/s (berdasarkan data pengukuran).
Putaran (n) = 40 rpm.
Daya Pada turbin.
.
= densitas udara ( kg/m3) A = luas penampang ( m2) V = Kecepatan Angin ( m/s)1. Menentukan tip speed ratio (
=
Dengan:
λ = tipe speed ratio D = diameter rotor (m) n = putaran rotor (rpm) v = kecepatan angin (m/s)
Diketahui :
D = 1 m
n = 40 rpm V = 4,39 m/s.
Maka ; =
0,4768
2. Menentukan Rotor TorqueCoeficient (Cqr )
Berdasarkan dari gambar hubungan koefisien rotor dari beberapa turbin angin didapat untuk rotor turbin jenis savonius pada daerah A jika ;
. . . . 5 ,
0 AV3 P
1
=2 Cq
1= 0,045. Jadi jika
2
=0,4768 maka : Cq
2=
x0,045 =
0,045 = 0,1887
3. Menentukan rotor power koefisien (Cpr)
Diketahui : = 0,4768 Cqr = 0,1887
Cpr = x Cqr
Cpr = 0,4768 x 0,1887 Cpr = 0,0899
Luasan pada sudu Turbin : P = .A.V
3A=
A =
A = 1,5365 m
2Dengan didapatkannya luas penampang 4 buah sudu (A) sebesar 1,536 m2, maka dengan menggunakan 4 buah sudu diperoleh dimensi sudu sebagai berikut:
1. Luas Selimut Tabung Diketahui:
Tinggi sudu (L) = 0,6 meter Jumlah sudu = 4 Buah
Maka luas 1 sudu = = 0,3841 m2
2. Dimensi Turbin : A = 4 π D L
D =
D = = 0.40 m
Gambar 4.1 skema dimensi sudu.
4.2 Perhitungan Kekuatan Poros . Perhitungan poros dengan daya 78 watt, putaran poros turbin 40 rpm, dengan faktor koreksi 2,0. Asumsi bahan baja paduan dengan kode S30C.
Dketahui :
P = 78 watt = 0,078 kW n = 40 rpm
fc= 2,0
= S30C 48 kg/mm2 Perhitungan diameter poros:
Daya rencana : Pd= f
cP
Pd = 2,0 (0,078) Pd =0,156 kw.
Momen Puntir : T = 9,74 x 105 = 9,74 x 105
= 3798,6 kg/mm
Bahan S30C b= 48 kg/mm
2
, Sf 1 = 6,0; S
f 2 = 2,0 =
=
= 5 kg/mm2 Cb = 2,0 Kt =2,5 ds = ( )1/3 ds = ( )1/3
ds = 18,162 mm.
Jadi diameter poros yang di dapat adalah 18,162 mm. Karena nomor bantalan tidak memunyai nomor diameter 18,162 mm, maka dipilih bantalan poros dengan diameter 20 mm.
Gambar 4.2 skema dimensi poros.
4.3 Perhitungan bantalan Poros.
Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros beban, sehingga putaran atau gerak bolak-baliknya dapat berlangsung secar halus, aman, dan berumur panjang.
Perhitungan perencanaan bantalan:
Diketahui:
ds= 20 mm.
M rotor turbin + M poros=17 kg Bahan S30C b= 48 kg/mm2 , Sf 1 = 6,0; S
f 2 = 2,0 = = = 5 kg/mm2 n = 40 rpm
Bahan besi perunggu Pa = 0,7 – 2,0 kg/mm
2
√
√
l = 20 mm
d = 20 mm P = P =
= 0,0425 kg/mm2
0,0425 2,0 jadi dapat diterima V =
= 3,14 x 20
=0,041 m/s
(Pv)a = 0,425 x0,041= 0,017 kg m/mm
2
s
Harga (Pv)
aporos transmisi maksimal yang diijinkan 0,017 kg m/mm2 s 0,017< 0,2 jadi dapat diterima.
Gambar 4.3 Skema bantalan bearing.
4.4 Perhitungan sabuk dan pulli 1. Pully
Putaran untuk generator direncanakan ± 300 Rpm,untuk memperoleh putaran 300 Rpm dari putaran motor 1235 Rpm dilakukan dengan memakai pulli yang mempunyai perbandingan
.
Direncanakan :
n
1 = putaran puli penggerak(rpm)n
2 = putaran puli yang digerakan(rpm) dp = diameter puli pengerak(mm)Dp = diameter puli yang digerakan(mm)
n
2= 400 rpmdp = 300 mm Dp = 70 mm
n
1 = ..?p
p
d D n n
2 1
300
70 400
1
n x
n
1= 93 rpm.
Puli Penggerak(dp)
Kecepatan Puli pengerak
1000 60
1
x v dpxn
60000 93 300mmx rpm v
= 0,46 m/s
Kecepatan sudut puli penggerak
dp vx1000
mm sx m 300
1000 /
46 ,
0
1,53 rad/s
Puli yang digerakan(Dp)
Kecepatan Puli yang digerakan
1000 60
2
x v Dpxn
60000 400 70x rpm v
= 0,46 m/s
Kecepatan sudut puli yang di gerakkan
Dp vx1000
mm sx 70
1000 /
46 ,
0
6,58 rad/s
Gambar 4.4 Skema pulley penggerak
2. Sabuk V
Panjang sabuk (L)
Data perencanaan jarak sumbu poros C : 300 mm
L=2c +
2
( )+ ( )2
C 4
1
= 2.300 + (300 mm + 70 mm) + ( 2
C 4
1
= 1015,65 mm
Karena nilai 1015,65 mm tidak memiliki nominal sabuk V yang standar pada table, maka diambil nilai yang mendekati nilai panjang keliling L = 1016mm dengan nilai nominal sabuk adalah 40
Sudut Kontak
C dp Dp ) (
1800 57
300 ) 70 300 ( 180
0 57
3
0,
136
o Kecepatan sabuk (m/s)
1000 60
)
(
1x n v dp
=
1000 60
) 93 . 300 ( 14 , 3
x 46 ,
1
v (m/s)
5.Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan
Perancangan ini dilakukan dengan tujuan untuk bisa merencanakan dan menghitung dimensi sudu turbin, poros, pulli, V belt dan bantalan yang bertujuan sebagai alat untuk pembangkit energi listrik skala kecil. Diharapkan dapat mengetahui daya output yang dihasilkan dan kinerja dari turbin savonius sudu L.
1. Adapun kincir angin yang direncanakan yaitu kincir angin savonius L empat sudu sebagai pembangkit listrik skala kecil dengan data sebagai berikut :
Jenis turbin : Savonius L empat sudu
Material Sudu: Alumunium dengan tebal 1 mm.
putaran poros: 40 rpm.
Jari-jari 1 sudu: 40 cm
Diameter rotor: 1,5365 m.
Jumlah Blade: 4 buah.
Luas sapuan 1 sudu : 0,3841 m2
Daya Rencana Turbin: 78 watt 2. Poros
Diameter Poros : 20 mm.
Jenis Material poros : baja paduan S45C-D.
3. Bantalan (bearing)
Diameter Bantalan : 20 mm 4. Transmisi pully
Putaran pully 1 : 91 rpm
Putaran pully 2 : 400 rpm
Diameter pully 1 : 300 mm
Diameter pully 2 : 70 mm
5. Sabuk V
Panjang Sabuk V : 1016mm.
6. Kontruksi Kincir Angin
Panjang : 2500 mm
Tinggi : 2400 mm
Beban yang diberikan: 17 kg
Tegangan Geser : 60 kg
5.2 Saran
Mamfaat dari perancangan yang dilakukan adalah dapat memperkaya kajian di bidang konversi energi dan dapat mendesain turbin angin savonius serta memamfaatkan sumber energi angin sebagai sumber energi pengganti fosil.
Dari perancangan turbin angin savonius ini apabila masih banyak kekurangan maka bisa dirancang ulang kembali dan disempurnakan untuk mencapai hasil yang di inginkan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Kadir Abdul. Energi Sumber Daya, Inovasi, Tenaga listrik dan potensi Ekonomi: Edisi Kedua Jakarta 1995.
[2] Naitepulu Farel. Perancangan Turbin Vertikal Axis Savonius
Dengan menggunakan 8 buah Sudu Lengkung. Usu. 2013.
[3] Putranto Adityo,dkk . Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal Untuk Penerangan Rumah Tangga.
Universitas Dienogoro.2011.
[4] Dewi, Marizka lustia. Analisis Kinerja Turbin Angin Poros Vertikal Dengan Modifikasi Rotor Savonius L Untuk Otimasi Kinerja Turbin. Universitas Sebelas Maret.
2010.
[5] Darmawan, Hendra. Perancangan Turbin Angin Tipe Savoniu L Sumbu Vertikal. Fakultas Teknik UMRAH.2010
[6] Rusnoto dan Laudi Shofani, 2013.
Pengaruh Susunan Sudut Turbin Angin terhadap Karakteristik Daya Turbin, e-journal, Tegal.
[7] Ruzita Sumiati, Pengujian Turbin Angin Savonius Tipe tiga U sudu:
Politenik Negri Padang. 1 Juni 2012.
[8] Agustavio, Deco. Perencanaan Kincir Angin Savonius U tiga Sudu sebagai sumber energy Alternatif.
UBH. Padang 2015.
